(57)【要約】  【課題】  従来のものよりも温度変化に対し高速に追随し所定の温度範囲内に保持できる半導体装置を提供すること。  【解決手段】  発光素子モジュール１０は、レーザ光を出射する発光素子１１と、発光素子１１の温度を検知する温度検知膜１２と、温度検知膜１２に電気的に接続された電極１３及び１４と、発光素子１１を搭載するキャリア１５と、キャリア１５を保持する基板１６と、発光素子１１の温度を一定に保つ熱電素子１７とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
通電により発熱する半導体素子（１１）と、この半導体素子の温度を検知する温度検知手段（１２）と、前記半導体素子の温度を所定の範囲内に設定する熱電素子（１７）とを備え、前記半導体素子から前記熱電素子に向かう熱流の経路（１９）に前記温度検知手段の少なくとも一部が含まれることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記半導体素子と前記熱電素子との間において前記半導体素子を搭載するキャリア（１５）を備え、前記キャリアは、前記半導体素子を搭載する第１の面（１５ａ）と、この第１の面に対向する第２の面（１５ｂ）とを有し、前記温度検知手段は、前記第１の面及び前記第２の面のいずれか一方の面側に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記熱電素子は、前記半導体素子と対向する吸熱板（１７ａ）を備え、前記温度検知手段は、前記吸熱板上に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
少なくとも１つの前記温度検知手段と前記温度検知手段と異なる抵抗値温度特性を有する少なくとも１つの抵抗体とを含むホイーストンブリッジ回路を備え、当該ホイーストンブリッジ回路に所定の電圧を印加したときに出力される電圧に基づいて前記半導体素子の温度を所定の範囲内に設定することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば発光素子の温度を一定に保つ機能を備えた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の半導体装置としては、例えば特許文献１に示すようなものが知られている。特許文献１に示された従来の半導体装置７０は、図８に示すようにレーザ光を出射する活性層７１ａを含む発光素子７１と、発光素子７１の面上に形成された絶縁膜７２と、絶縁膜７２の面上に形成され、発光素子７１の温度を検知する温度検知膜７３と、温度検知膜７３に電気的に接続された電極７４及び７５と、発光素子７１を支持する素子支持体７６と、素子支持体７６を搭載する基板７７と、発光素子７１の温度を一定に保つための熱電素子７８とを備えている。
【０００３】
従来の半導体装置７０は、前述のように構成されているので、温度検知膜７３が、活性層７１ａからレーザ光が出射される際の発光素子７１の温度を電気抵抗に変換し、熱電素子７８には温度検知膜７３の電気抵抗に応じた電流が流入され、熱電素子７８が、素子支持体７６及び基板７７を介して発光素子７１を冷却することによって、発光素子７１の温度を一定に保持できるようになっている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−３３５７３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の半導体装置では、温度検知膜７３が熱電素子７８の温度制御部に対して発熱体である活性層７１ａよりも遠く離れて位置しているので、温度検知膜７３から熱電素子７８までの間の熱抵抗が大きく高速応答ができないという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、従来のものよりも温度変化に対し高速に追随し所定の温度範囲内に保持できる半導体装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の半導体装置は、通電により発熱する半導体素子と、この半導体素子の温度を検知する温度検知手段と、前記半導体素子の温度を所定の範囲内に設定する熱電素子とを備え、前記半導体素子から前記熱電素子に向かう熱流の経路に前記温度検知手段の少なくとも一部が含まれる構成を有している。
【０００８】
この構成により、本発明の半導体装置は、温度検知手段が、半導体素子から熱電素子に向かう熱流の経路において半導体素子の温度を検知するので、温度検知手段と熱電素子との間の熱抵抗を小さくすることができ、従来のものよりも温度変化に対し高速に追随し所定の温度範囲内に保つことができる。
【０００９】
また、本発明の半導体装置は、前記半導体素子と前記熱電素子との間において前記半導体素子を搭載するキャリアを備え、前記キャリアは、前記半導体素子を搭載する第１の面と、この第１の面に対向する第２の面とを有し、前記温度検知手段は、前記第１及び前記第２の面のいずれか一方の面側に設けられた構成を有している。
【００１０】
この構成により、本発明の半導体装置は、温度検知手段が、半導体素子と熱電素子との間に設けられたキャリアの第１及び第２の面のいずれか一方の面側において半導体素子の温度を検知するので、温度検知手段と熱電素子との間の熱抵抗を小さくすることができ、従来のものよりも温度変化に対し高速に追随し所定の温度範囲内に保つことができる。
【００１１】
さらに、本発明の半導体装置は、前記熱電素子が、前記半導体素子と対向する吸熱板を備え、前記温度検知手段は、前記対向面上に設けられた構成を有している。
【００１２】
この構成により、本発明の半導体装置は、温度検知手段が、半導体素子と対向する熱電素子の対向面上に設けられるので、温度検知手段と熱電素子との間の熱抵抗を小さくすることができ、従来のものよりも温度変化に対し高速に追随し所定の温度範囲内に保つことができる。
【００１３】
さらに、本発明の半導体装置は、少なくとも１つの前記温度検知手段と前記温度検知手段と異なる抵抗値温度特性を有する少なくとも１つの抵抗体とを含むホイーストンブリッジ回路を備え、当該ホイーストンブリッジ回路に所定の電圧を印加したときに出力される電圧に基づいて前記半導体素子の温度を所定の範囲内に設定する構成を有している。
【００１４】
この構成により、本発明の半導体装置は、少なくとも１つの温度検知手段及び少なくとも１つの抵抗体を含むホイーストンブリッジ回路によって半導体素子の温度を高感度で検知することができ、従来のものよりも高速かつ高精度で、発光素子の温度を所定の温度範囲内に保つことができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、従来のものよりも温度変化に対し高速に追随し所定の温度範囲内に保持できるという効果を有する半導体装置を提供するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、本発明の半導体装置を発光素子モジュールに適用する例を挙げて説明する。
【００１７】
（第１の実施の形態）
まず、本発明の第１の実施の形態の発光素子モジュールの構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態の発光素子モジュール１０を概略的に表した斜視図である。なお、図１において、本実施の形態の発光素子モジュール１０の構成をわかりやすくするため、後述する保護膜、半田パターン部及び金属配線薄膜の図示を省略している。
【００１８】
図１に示すように、本実施の形態の発光素子モジュール１０は、レーザ光を出射する発光素子１１と、発光素子１１の温度を検知する温度検知膜１２と、温度検知膜１２に電気的に接続された電極１３及び１４と、発光素子１１を搭載するキャリア１５と、キャリア１５を保持する基板１６と、発光素子１１の温度を一定に保つ熱電素子１７とを備えている。なお、図１において、矢印Ａから見た面を正面、熱電素子１７から発光素子１１に向かう方向を上方向、その逆を下方向とし、各構成において上方向の側にある面を上面、下方向の側にある面を下面という。
【００１９】
発光素子１１は、ｐ型及びｎ型の半導体を含むレーザダイオードであり、流入された電流によってレーザ発振し、所定の波長のレーザ光を出射するようになっている。この際、発光素子１１から熱が放出される。なお、発光素子１１は、本発明の半導体素子を構成している。
【００２０】
温度検知膜１２は、温度に応じて変化する電気抵抗を有し、例えば、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属や、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）、アモルファスゲルマニウム（ａ−Ｇｅ）等の半導体等で構成される。なお、温度検知膜１２は、本発明の温度検知手段を構成している。電極１３及び１４は、例えばチタン／白金／金（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）の積層膜で構成され、温度検知膜１２に電気的に接続されている。
【００２１】
キャリア１５は、例えば窒化アルミを材料としたセラミック板で構成され、基板１６は、例えば銅タングステン合金で構成されている。キャリア１５及び基板１６は、前述のような熱伝導に優れた材料で構成されているので、発光素子１１が発生した熱を効率よく放出するようになっている。また、キャリア１５及び基板１６は、例えば半田付けによって互いに固定されている。なお、図示を省略したが、基板１６の上面には、発光素子１１が出射したレーザ光を集光するレンズや、レーザ光をモニタする受光素子等が搭載されるようになっている。
【００２２】
熱電素子１７は、流入された電流によって吸熱する吸熱板１７ａと、流入された電流によって発熱する発熱板１７ｂと、電気エネルギを熱エネルギに変換する熱電半導体１７ｃとを備え、吸熱板１７ａは、例えば半田付けによって基板１６と固定されるようになっている。
【００２３】
次に、本実施の形態に係る発光素子１１の周辺の構成例について、図２を用いて詳細に説明する。図２（ａ）は、本実施の形態の発光素子モジュール１０に係る発光素子１１の周辺を示す上面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示された線分ＢＢ'における断面図である。
【００２４】
図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、キャリア１５は、キャリア上面１５ａ及びキャリア下面１５ｂを有し、キャリア上面１５ａには、温度検知膜１２と、電極１３及び１４と、発光素子下面１１ｃに設けられたｎ電極に電気的に接続された半田パターン部１５ｄと金属配線薄膜１５ｅ及び１５ｆとが形成されている。また、温度検知膜１２、電極１３及び１４の上面には保護膜１８が形成されている。さらに、保護膜１８の上面に発光素子１１が設けられている。
【００２５】
発光素子１１は、レーザ光を出射する活性層１１ａと、ｐ電極（図示省略）が形成される発光素子上面１１ｂと、半田付けされる発光素子下面１１ｃとを備え、発光素子下面１１ｃが、半田パターン部１５ｃ及び１５ｄに半田付けされて固定されるようになっている。発光素子１１の外形寸法の一例を挙げれば、長辺は１ｍｍ程度、短辺は０．５ｍｍ程度、厚さは０．１ｍｍ程度である。
【００２６】
温度検知膜１２は、例えばＰｔが、幅１０μｍ程度、膜厚０．１μｍ程度でキャリア上面１５ａに電子ビーム蒸着法等によって蒸着されることにより形成される。また、電極１３及び１４は、温度検知膜１２が形成された後、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕがそれぞれ膜厚約２０ｎｍ／５０ｎｍ／３００ｎｍで電子ビーム蒸着法等によって蒸着されることにより形成される。
【００２７】
保護膜１８は、電極１３及び１４が形成された後、例えば窒化膜（ＳｉＮｘ）又は酸化膜（ＳｉＯ２）が１００〜３００ｎｍ程度の膜厚で温度検知膜１２、電極１３及び１４の上面にＣＶＤ法等によって成膜されることにより形成される。ここで、保護膜１８は、発光素子１１と温度検知膜１２との間を電気的に絶縁するために設けるものなので、温度検知膜１２が酸化膜のような絶縁膜を表面に有している場合、保護膜１８の成膜工程を省略することができる。
【００２８】
なお、前述の材質、寸法、製造手法等は一例であり、本発明は前述のものに限定されるものではない。また図示を省略したが、キャリアに半導体素子をフリップチップ実装することも可能であり、その場合発熱量の大きい高出力レーザへの実装に有効である。
【００２９】
ここで、温度検知膜１２の構成について、図３を用いてさらに詳細に説明する。図３は、発光素子モジュール１０の正面断面図と、発光素子モジュール１０に接続されて温度制御を行う温度制御回路６０の構成例を示している。なお、温度制御回路６０については後述する。
【００３０】
図３において、発光素子モジュール１０の正面断面図に示された複数の矢印は、発光素子１１の活性層１１ａにおいて熱が発生したとき、活性層１１ａから熱電素子１７に向かう熱流の経路を示している。図３に示すように、熱流の経路を示す複数の矢印のうち、矢印ＣとＤとに挟まれた領域の熱流の経路１９に、温度検知膜１２の少なくとも一部が含まれる構成となっている。
【００３１】
この構成により、温度検知膜１２と熱電素子１７との間の熱抵抗が小さくなることから、本実施の形態の発光素子モジュール１０は、従来のものよりも温度変化に対し高速に追随し所定の温度範囲内に保つことができる。以下に詳細な理由を説明する。
【００３２】
温度検知膜１２によって検知された温度に高速応答して発光素子１１の温度を制御するには、温度検知膜１２から熱電素子１７までの熱時定数を小さくする必要がある。この熱時定数は、温度検知膜１２と熱電素子１７との間（以下「検知制御間」という。）の熱抵抗と熱容量との積に比例する。つまり、検知制御間の材質が同一の場合、検知制御間の距離を小さくするほど熱抵抗が小さくなり、高速応答させることができる。
【００３３】
前述のように、本実施の形態の発光素子モジュール１０に係る温度検知膜１２は、発光素子１１とキャリア１５との間に設けられ、活性層１１ａから熱電素子１７に向かう熱流の経路１９において温度を検知する構成となっている。これに対して従来のものは、背景技術欄で図８を用いて説明したように、発光素子７１の上面に形成された温度検知膜７３によって発光素子７１の温度を検知する構成となっていることから、温度検知膜７３から熱電素子７８までの熱抵抗を小さくできず高速応答させることができない。このように、本実施の形態の発光素子モジュール１０は、検知制御間の熱抵抗を小さくすることができ、従来のものよりも温度変化に対し高速に追随し所定の温度範囲内に保つことができる。
【００３４】
次に、本実施の形態の発光素子モジュール１０に係る温度制御について図３を用いて説明する。
【００３５】
まず、温度制御回路６０の構成例について説明する。温度制御回路６０は、電気抵抗を計測する電気抵抗計測部６１と、電気抵抗を温度に換算する抵抗温度換算部６２と、発光素子１１の温度を所望の温度に設定するための電流値を設定する電流値設定部６３とを備えている。
【００３６】
電気抵抗計測部６１は、発光素子モジュール１０の電極１３及び１４に接続され、温度検知膜１２の電気抵抗を計測するようになっている。抵抗温度換算部６２は、温度検知膜１２の電気抵抗と温度との関係を予め取得しており、電気抵抗計測部６１によって計測された温度検知膜１２の電気抵抗を温度に換算し、この温度を発光素子１１の温度とするようになっている。電流値設定部６３は、発光素子１１の温度が所定の温度範囲内、例えば２５℃±１℃の温度範囲内に収まるよう熱電素子１７に流す電流値を設定するようになっている。
【００３７】
続いて、温度制御回路６０による温度制御について説明する。まず、発光素子１１に電極（図示省略）を介して電流が流入されることによって発光素子１１が駆動され、発光素子１１から所定の波長のレーザ光が出射される。この際、発光素子１１の活性層１１ａから熱が放出される。
【００３８】
活性層１１ａから放射された熱は、熱流の経路１９に沿って、保護膜１８、温度検知膜１２、キャリア１５、基板１６、熱電素子１７と進む。ここで、温度検知膜１２は活性層１１ａから放射された熱の温度に応じた電気抵抗値を有する。この電気抵抗は、電極１３及び１４に接続された電気抵抗計測部６１によって計測される。
【００３９】
次いで、抵抗温度換算部６２によって、予め取得された温度検知膜１２の電気抵抗と温度との関係に基づき、電気抵抗計測部６１が計測した電気抵抗が温度に換算され、換算された温度が発光素子１１の温度とされる。
【００４０】
続いて、電流値設定部６３によって、発光素子１１の温度が所定の温度範囲内、例えば２５℃±１℃の温度範囲内になるよう熱電素子１７に流す電流が設定され、設定された電流が熱電素子１７に供給される。
【００４１】
そして、熱電素子１７によって、基板１６、キャリア１５、温度検知膜１２及び保護膜１８を介し、発光素子１１が冷却され、発光素子１１の温度が例えば２５℃±１℃の温度範囲内になるよう制御される。
【００４２】
以上のように、本実施の形態の発光素子モジュール１０によれば、温度検知膜１２は、発光素子１１とキャリア１５との間に設けられ、活性層１１ａから熱電素子１７に向かう熱流の経路１９において温度を検知する構成としたので、温度検知膜１２から熱電素子１７までの熱抵抗を小さくすることができ、温度変化に対し従来のものよりも高速に追随し所定の温度範囲内に保つことができる。
【００４３】
なお、前述の実施の形態において、発光素子１１の温度に応じて電気抵抗が変化する温度検知膜１２を本発明の温度検知手段とし、熱の伝導によって発光素子１１の温度を検知する例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、熱の輻射によって発光素子１１の温度を検知する構成としても同様の効果が得られる。
【００４４】
例えば、温度検知膜１２に代えて発光素子１１の温度に応じた熱を輻射する熱輻射膜を形成し、この熱輻射膜と、熱輻射膜から輻射された熱を検知するセンサとで本発明の温度検知手段を構成する場合でも同様の効果が得られる。
【００４５】
また、前述の実施の形態において、本発明の半導体装置を発光素子モジュールに適用する例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、通電により発熱する半導体素子を備えたものであれば同様の効果が得られる。
【００４６】
また、背景技術欄で説明した従来のものでは温度検知膜及びその電極や発光素子の電極が発光素子の上面に設けられていることからフリップチップ実装ができないが、本実施の形態の発光素子モジュール１０はフリップチップ実装ができる構成を有しているので、冷却効率が高いという効果を有する。このため冷却効率の向上が不可欠である高出力の発光素子モジュールの実装に適している。
【００４７】
また、背景技術欄で説明した従来のものでは温度検知膜が発光素子の上面に設けられていることからこの半導体モジュールの製造歩留は発光素子の製造歩留と温度検知膜の製造歩留との積で決定され低下してしまうが、本実施の形態の発光素子モジュール１０においては、発光素子１１及び温度検知膜１２は個別に製造されることから製造歩留は個別に決定され従来のものよりも大幅に向上した結果、製造コストを低減させることができる。
【００４８】
また、発光素子の温度を検知するためにサーミスタ素子を用いる公知の手法のものと比較すると、本実施の形態の発光素子モジュール１０は、次のような効果が得られる。
【００４９】
第１に、段落００４８で述べた公知の手法のものでは基板又はキャリア（本実施の形態に係る基板１６及びキャリア１５に相当。）の同一面上にサーミスタ素子が配置されており温度検知手段が半導体素子と熱電素子間の熱流の経路にはないが、本実施の形態の発光素子モジュール１０は半導体素子から熱電素子に向かう熱流の経路に温度検知手段の少なくとも一部が含まれる構成を有しているので、温度変化に対し従来のものより高速に追随することができる。
【００５０】
第２に、本実施の形態に係る温度検知膜１２は、サーミスタ素子よりも小型化することができるので、本実施の形態の発光素子モジュール１０は、サーミスタ素子を用いる段落００４８で述べた公知の手法のものよりも小型化を図ることができるという効果が得られる。
【００５１】
第３に、本実施の形態に係る温度検知膜１２をキャリア１５上に予め形成することにより、本実施の形態の発光素子モジュール１０は、サーミスタ素子を用いる段落００４８で述べた公知の手法のものと比べ、組立工程の簡略化や自動化を図ることができ、製造コストを低減することができるという効果が得られる。
【００５２】
（第２の実施の形態）
まず、本発明の第２の実施の形態の発光素子モジュールの構成について、図４を用いて説明する。図４は、本実施の形態の発光素子モジュール２０を概略的に表した斜視図である。
【００５３】
図４に示すように、本実施の形態の発光素子モジュール２０は、レーザ光を出射する発光素子２１と、発光素子２１を搭載するキャリア２２と、キャリア２２を介して発光素子２１の温度を検知する温度検知膜２３と、温度検知膜２３に電気的に接続された電極２４及び２５と、キャリア２２を保持する基板２６と、発光素子２１の温度を一定に保つ熱電素子２７とを備えている。
【００５４】
なお、本実施の形態に係る発光素子モジュール２０が、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子モジュール１０と異なる点は、温度検知膜２３、電極２４及び２５を基板２６の上面、すなわちキャリア２２の下面側に設けた点であるので、温度検知膜２３に係る構成について以下説明し、発光素子モジュール１０と同様な構成については説明を省略又は簡略化する。
【００５５】
温度検知膜２３は、温度に応じて変化する電気抵抗を有し、例えば、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属や、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）、アモルファスゲルマニウム（ａ−Ｇｅ）等の半導体等で構成される。なお、温度検知膜２３は、本発明の温度検知手段を構成している。
【００５６】
電極２４及び２５は、例えばチタン／白金／金（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）の積層膜で構成され、温度検知膜２３に電気的に接続されている。キャリア２２は、例えば窒化アルミを材料としたセラミック板で構成され、基板２６は、例えば銅タングステン合金で構成されている。
【００５７】
熱電素子２７は、流入された電流によって吸熱する吸熱板２７ａと、流入された電流によって発熱する発熱板２７ｂと、電気エネルギを熱エネルギに変換する熱電半導体２７ｃとを備え、吸熱板２７ａは、例えば半田付けによって基板２６と固定されるようになっている。
【００５８】
図示を省略したが、温度検知膜２３、電極２４及び２５と、基板２６との間を電気的に絶縁するため、基板２６上には、窒化膜又は酸化膜が形成されている。なお、基板２６を絶縁体で構成する場合は、窒化膜又は酸化膜を基板２６上に形成する工程は省略することができる。
【００５９】
温度検知膜２３は、例えばＰｔが、幅１０μｍ程度、膜厚０．１μｍ程度で、基板２６の上面に形成された窒化膜又は酸化膜の面上に電子ビーム蒸着法によって蒸着されることにより形成される。また、電極２４及び２５は、温度検知膜２３が形成された後、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕがそれぞれ膜厚約２０ｎｍ／５０ｎｍ／３００ｎｍで電子ビーム蒸着法等によって蒸着されることにより形成される。
【００６０】
本発明の第１の実施の形態に係る発光素子モジュール１０（図３参照。）と同様に、発光素子２１が駆動されて熱が発生したとき、発光素子２１から熱電素子２７に向かう熱流の経路に、温度検知膜２３の少なくとも一部が含まれる構成となっている。
【００６１】
なお、前述の材質、寸法、製造手法等は一例であり、本発明は前述のものに限定されるものではない。
【００６２】
以上のように、本実施の形態の発光素子モジュール２０によれば、温度検知膜２３は、基板２６上に形成され、キャリア２２と基板２６との間で発光素子２１の温度を検知する構成としたので、温度検知膜２３から熱電素子２７までの熱抵抗を小さくすることができ、従来のものよりも温度変化に対し高速に追随して温度を一定に保つことができる。
【００６３】
また、本実施の形態の発光素子モジュール２０によれば、温度検知膜２３から熱電素子２７までの熱抵抗を、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子モジュール１０の熱抵抗よりも更に小さくしたので、発光素子モジュール１０よりも更に温度変化に対し高速に追随して温度を一定に保つことができる。なお、発光素子モジュール１０に対して、発光素子モジュール２０は、発光素子２１と温度検知膜２３との間にキャリア２２が設けられているので、発光素子２１の温度と、温度検知膜２３が検知した温度との間に温度差が生じるが、この温度差は、例えば実験により容易に求めることができるので、発光素子２１の温度を正確に検知することができる。
【００６４】
（第３の実施の形態）
まず、本発明の第３の実施の形態の発光素子モジュールの構成について、図５を用いて説明する。図５（ａ）は、本実施の形態の発光素子モジュール３０を概略的に表した斜視図であり、図５（ｂ）は、本実施の形態の発光素子モジュール３０に係る熱電素子３５を概略的に表した斜視図である。
【００６５】
図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施の形態の発光素子モジュール３０は、レーザ光を出射する発光素子３１と、発光素子３１の温度を検知する温度検知膜３２と、温度検知膜３２に電気的に接続された電極３３及び３４と、発光素子３１の温度を一定に保つ熱電素子３５とを備えている。なお、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子モジュール１０と同様な構成については説明を省略又は簡略化する。
【００６６】
温度検知膜３２は、温度に応じて変化する電気抵抗を有し、例えば、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属や、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）、アモルファスゲルマニウム（ａ−Ｇｅ）等の半導体等で構成される。なお、温度検知膜３２は、本発明の温度検知手段を構成している。なお、図示を省略したが、発光素子３１と温度検知膜３２との間を電気的に絶縁するため、温度検知膜３２上には、窒化膜又は酸化膜が形成されている。
【００６７】
電極３３及び３４は、例えばチタン／白金／金（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）の積層膜で構成され、温度検知膜３２に電気的に接続されている。
【００６８】
熱電素子３５は、流入された電流によって吸熱する吸熱板３５ａと、流入された電流によって発熱する発熱板３５ｂと、電気エネルギを熱エネルギに変換する熱電半導体３５ｃとを備え、吸熱板３５ａは、発光素子３１との対向面である吸熱板上面３５ｄを含む。吸熱板上面３５ｄには、発光素子３１が半田付けされる半田パターン部３５ｅ及び３５ｆと、発光素子下面に設けられたｎ電極に電気的に接続された金属配線薄膜３５ｇ及び３５ｈとが形成されている。なお、吸熱板３５ａ及び発熱板３５ｂは、例えばセラミック板で形成される。
【００６９】
図５（ｂ）に示すように、温度検知膜３２は、例えばＰｔが、幅１０μｍ程度、膜厚０．１μｍ程度で、吸熱板上面３５ｄに電子ビーム蒸着法によって蒸着されることにより形成される。また、電極３３及び３４は、温度検知膜３２が形成された後、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕがそれぞれ膜厚約２０ｎｍ／５０ｎｍ／３００ｎｍで電子ビーム蒸着法によって蒸着されることにより形成される。
【００７０】
発光素子３１は、電極３３及び３４が形成され、さらに、温度検知膜３２、電極３３及び３４の上面に窒化膜又は酸化膜が形成された後、吸熱板上面３５ｄに設けられた半田パターン部３５ｅ及び３５ｆに半田付けされて固定される。したがって、本実施の形態の発光素子モジュール３０は、発光素子３１が駆動されて熱が発生したとき、発光素子３１から熱電素子３５に向かう熱流の経路に、温度検知膜３２の少なくとも一部が含まれる構成となっている。
【００７１】
なお、前述の材質、寸法、製造手法等は一例であり、本発明は前述のものに限定されるものではない。
【００７２】
以上のように、本実施の形態の発光素子モジュール３０によれば、温度検知膜３２は、熱電素子３５の吸熱板上面３５ｄにおいて発光素子３１の温度を検知する構成としたので、温度検知膜３２から熱電素子３５までの熱抵抗を小さくすることができ、従来のものよりも温度変化に対し高速に追随して温度を一定に保つことができる。
【００７３】
また、本実施の形態の発光素子モジュール３０によれば、温度検知膜３２は、熱電素子３５の吸熱板上面３５ｄにおいて発光素子３１の温度を検知する構成としたので、発光素子３１の上面から熱電素子３５の発熱板３５ｂまでの寸法を従来のものよりも小さくすることができ、薄型化を図ることができる。
【００７４】
また、本実施の形態の発光素子モジュール３０によれば、温度検知膜３２は、熱電素子３５の吸熱板上面３５ｄにおいて発光素子３１の温度を検知する構成としたので、発光素子３１を搭載するキャリアや、キャリアを固定する基板等の構成を省略することができ、製造コストを低減することができる。
【００７５】
また、本実施の形態の発光素子モジュール３０によれば、温度検知膜３２から熱電素子３５までの熱抵抗を、本発明の第１及び第２の実施の形態に係るものの熱抵抗よりも更に小さくしたので、それらのものよりも更に温度変化に対し高速に追随することができる。
【００７６】
なお、前述の実施の形態において、発光素子３１を温度検知膜３２の上面に設ける構成を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば発光素子３１と温度検知膜３２との間に発光素子３１を搭載するキャリアを設ける構成としてもよい。
【００７７】
（第４の実施の形態）
まず、本発明の第４の実施の形態の発光素子モジュールの構成について、図６を用いて説明する。図６（ａ）は、本実施の形態の発光素子モジュール４０を概略的に表した斜視図であり、図６（ｂ）は、本実施の形態の発光素子モジュール４０に係る温度検知回路の一例を示す図である。
【００７８】
図６（ａ）に示すように、本実施の形態の発光素子モジュール４０は、レーザ光を出射する発光素子４１と、発光素子４１の温度を検知する温度検知膜４２ａ及び４２ｂと、抵抗体４３ａ及び４３ｂと、温度検知膜４２ａ及び４２ｂと抵抗体４３ａ及び４３ｂとに電気的に接続された電極４４ａ〜４４ｄと、発光素子４１を搭載するキャリア４５と、キャリア４５を保持する基板４６と、発光素子４１の温度を一定に保つ熱電素子４７とを備えている。なお、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子モジュール１０と同様な構成については説明を省略又は簡略化する。
【００７９】
温度検知膜４２ａ及び４２ｂは、温度に応じて変化する電気抵抗を有し、例えば、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属や、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）、アモルファスゲルマニウム（ａ−Ｇｅ）等の半導体等で構成される。なお、温度検知膜４２ａ及び４２ｂは、本発明の温度検知手段を構成している。なお、図示を省略したが、発光素子４１と温度検知膜４２ａ及び４２ｂとの間を電気的に絶縁するため、温度検知膜４２ａ及び４２ｂの上面には、窒化膜又は酸化膜が形成されている。
【００８０】
抵抗体４３ａ及び４３ｂは、例えば窒化タンタル膜で構成され、温度に依存しない電気抵抗を有している。
【００８１】
電極４４ａ〜４４ｄは、例えばチタン／白金／金（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）の積層膜で構成され、温度検知膜４２ａ及び４２ｂと、抵抗体４３ａ及び４３ｂとに電気的に接続されている。
【００８２】
温度検知膜４２ａ及び４２ｂは、例えばＰｔが、幅１０μｍ程度、膜厚０．１μｍ程度でキャリア４５上に電子ビーム蒸着法によって蒸着されることにより形成される。
【００８３】
また、抵抗体４３ａ及び４３ｂは、例えば窒化タンタルが数μｍの膜厚でキャリア４５上にスパッタ法等によって蒸着されることにより形成される。
【００８４】
また、電極４４ａ〜４４ｄは、温度検知膜４２ａ及び４２ｂと、抵抗体４３ａ及び４３ｂとが形成された後、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕがそれぞれ膜厚約２０ｎｍ／５０ｎｍ／３００ｎｍで電子ビーム蒸着法等によって蒸着されることにより形成される。なお、電極４４ａ〜４４ｄの内のいずれかの電極を２つに分離して各抵抗体の抵抗値を予め測定できるようにすることも可能であり、この場合は抵抗値を測定した後に分離した電極をＡｕワイヤ等の配線を用いて接続することにより所望の動作を実現することができる。
【００８５】
キャリア４５上には電極４４ａ〜４４ｄが形成され、さらに温度検知膜４２ａ及び４２ｂの上面に窒化膜又は酸化膜が形成された後、発光素子４１が半田付けされて固定される。したがって、本実施の形態の発光素子モジュール４０は、発光素子４１が駆動されて熱が発生したとき、発光素子４１から熱電素子４７に向かう熱流の経路に、温度検知膜４２ａ及び４２ｂの少なくとも一部が共に含まれる構成となっている。なお、温度検知膜４２ａ及び４２ｂのどちらか一方の一部が含まれる構成となっていても良い。
【００８６】
熱電素子４７は、流入された電流によって吸熱する吸熱板４７ａと、流入された電流によって発熱する発熱板４７ｂと、電気エネルギを熱エネルギに変換する熱電半導体４７ｃとを備え、吸熱板４７ａは、例えば半田付けによって基板４６と固定されるようになっている。
【００８７】
なお、前述の材質、寸法、製造手法等は一例であり、本発明は前述のものに限定されるものではない。
【００８８】
次に、本実施の形態の発光素子モジュール４０に係る温度検知回路について図６（ｂ）を用いて説明する。なお、この温度検知回路は、図３に示された電気抵抗計測部６１及び抵抗温度換算部６２に相当するものである。
【００８９】
図６（ｂ）において、本実施の形態に係る温度検知回路は、抵抗Ｒ１〜Ｒ４を含むホイーストンブリッジ回路で構成されている。Ｒ１及びＲ２は、それぞれ、温度検知膜４２ａ及び４２ｂの電気抵抗を表し、温度に応じて電気抵抗が変化するので可変抵抗として図示している。また、Ｒ３及びＲ４は、それぞれ、抵抗体４３ａ及び４３ｂの電気抵抗を表し、温度に応じて電気抵抗が変化しないので固定抵抗として図示している。また、図示のように電圧Ｖ１が印加されるようになっている。
【００９０】
例えば、発光素子４１の温度が２５℃のときに電圧Ｖ２が０ボルトになるようＲ３及びＲ４の電気抵抗を予め設定しておく。温度検知膜４２ａ及び４２ｂの電気抵抗Ｒ１及びＲ２は、発光素子４１の温度に応じて変化するが、抵抗体４３ａ及び４３ｂの電気抵抗Ｒ３及びＲ４は変化しないので、発光素子４１の温度に応じて電圧Ｖ２が変化することとなる。したがって、電圧Ｖ１を印加することにより電圧Ｖ２の出力を取得できるため測定系への負荷を低減することができるという効果が得られる。
【００９１】
以上のように、本実施の形態の発光素子モジュール４０によれば、温度検知膜４２ａ及び４２ｂは、発光素子４１と熱電素子４７との間に設けられ、発光素子４１から熱電素子４７に向かう熱流の経路上で温度を検知し、抵抗体４３ａ及び４３ｂとホイーストンブリッジ回路を構成することができるので、発光素子４１の温度を高感度で検知することができ、従来のものよりも高速かつ高精度で、発光素子４１の温度を所定の温度範囲内に保つことができる。
【００９２】
なお、前述の実施の形態において、抵抗体４３ａ及び４３ｂを温度特性に依存しない電気抵抗を有するもので構成する例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、温度変化に対する電気抵抗の変化が既知の抵抗体で構成しても同様の効果が得られる。また、抵抗値の温度依存性の符号が異なる抵抗体を組み合わせて、温度変化に対する出力電圧をさらに向上させることも可能である。例えば、温度依存性が負である温度検知膜としては半導体が用いられ、温度依存性が正である温度検知膜としては金属が用いられる。
【００９３】
また、前述の実施の形態において、発光素子４１の下面に２つ温度検知膜４２ａ及び４２ｂを設ける構成を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００９４】
例えば、図７（ａ）に示すように、発光素子４１の下面に１つの温度検知膜５１を設け、３つの抵抗体５２ａ〜５２ｃと、４つの電極５３ａ〜５３ｄとを備えた構成としてもよい。この構成の場合、温度検知回路は、図７（ｂ）に示すように、温度検知膜５１に相当するＲ５と、抵抗体５２ａ〜５２ｃにそれぞれ相当するＲ６〜Ｒ８とを含むホイーストンブリッジ回路で構成され、電圧Ｖ２に基づいて発光素子４１の温度を高速かつ高感度で検知することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
以上のように、本発明に係る半導体装置は、従来のものよりも温度変化に対し高速に追随し所定の温度範囲内に保持できるという効果を有し、発光素子の温度を一定に保つ機能を備えた発光素子モジュール等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明の第１の実施の形態の発光素子モジュールを概略的に表した斜視図
【図２】（ａ）本発明の第１の実施の形態の発光素子モジュールに係る発光素子周辺の上面図  （ｂ）本発明の第１の実施の形態の発光素子モジュールに係る発光素子周辺の断面図
【図３】本発明の第１の実施の形態の発光素子モジュールを概略的に表した正面断面図及び温度制御回路の構成例を示す図
【図４】本発明の第２の実施の形態の発光素子モジュールを概略的に表した斜視図
【図５】（ａ）本発明の第３の実施の形態の発光素子モジュールを概略的に表した斜視図  （ｂ）本発明の第３の実施の形態の発光素子モジュールに係る熱電素子を概略的に表した斜視図
【図６】（ａ）本発明の第４の実施の形態の発光素子モジュールを概略的に表した斜視図  （ｂ）本発明の第４の実施の形態の発光素子モジュールに係る温度検知回路の一例を示す図
【図７】（ａ）本発明の第４の実施の形態の他の態様に係る発光素子モジュールの上面図  （ｂ）本発明の第４の実施の形態の他の態様に係る発光素子モジュールの温度検知回路の一例を示す図
【図８】従来の発光素子モジュールの概略的な斜視図
【符号の説明】
【００９７】
１０、２０、３０、４０、７０  発光素子モジュール（半導体装置）
１１、２１、３１、４１、７１  発光素子（半導体素子）
１１ａ、７１ａ  活性層
１１ｂ  発光素子上面
１１ｃ  発光素子下面
１２、２３、３２、４２ａ、５１、７３  温度検知膜（温度検知手段）
１３、１４、２４、２５、３３、３４、４４ａ〜４４ｄ、５３ａ〜５３ｄ、７４、７５  電極
１５、２２、４５  キャリア
１５ａ  キャリア上面（キャリアの第１の面）
１５ｂ  キャリア下面（キャリアの第２の面）
１５ｃ、１５ｄ、３５ｅ、３５ｆ  半田パターン部
１５ｅ、１５ｆ、３５ｇ、３５ｈ  金属配線薄膜
１６、２６、４６  基板
１７、２７、３５、４７、７８  熱電素子
１７ａ、２７ａ、３５ａ、４７ａ  吸熱板
１７ｂ、２７ｂ、３５ｂ、４７ｂ  発熱板
１７ｃ、２７ｃ、３５ｃ、４７ｃ  熱電半導体
１８  保護膜
１９  熱流の経路
３５ｄ  吸熱板上面
４３ａ、４３ｂ、５２ａ〜５２ｃ  抵抗体
６０  温度制御回路
６１  電気抵抗計測部
６２  抵抗温度換算部
６３  電流値設定部
７２  絶縁膜
７６  素子支持体
７７  基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006286786.tif 000009
【図８】
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